Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình đô thị hóa và phát triển kinh tế tại thành phố Hải Phòng, các công trình cao tầng tích hợp đa chức năng ngày càng gia tăng nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng quỹ đất đô thị, hạn chế lưu lượng giao thông và giảm thiểu phát thải khí nhà kính. Đề tài "Thiết kế cung cấp điện cho Tòa nhà hỗn hợp Văn phòng, Căn hộ 12 tầng tại số 93 Trần Phú - Hải Phòng" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Minh Hiếu (lớp DC2201, ngành Điện Tự động Công nghiệp, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Dương vào năm 2022.

Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ yêu cầu thực tế trong việc xây dựng hệ thống phân phối và cấp điện cho một công trình thương mại - dịch vụ kết hợp căn hộ để ở. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng phương án cung cấp điện hoàn chỉnh, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng (ổn định tần số và điện áp), an toàn cho con người và thiết bị, đồng thời đảm bảo tính kinh tế trong đầu tư và vận hành.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành các nội dung kỹ thuật chính:

  1. Khảo sát mặt bằng kiến trúc, thống kê và phân loại các phụ tải điện của công trình.
  2. Áp dụng các phương pháp kỹ thuật để tính toán phụ tải chiếu sáng và phụ tải động lực cho từng tầng và toàn bộ tòa nhà.
  3. Xác định phương án cấp điện, lựa chọn dung lượng và công suất cho trạm phát điện dự phòng.
  4. Tính chọn tiết diện dây dẫn, cáp phân phối và các thiết bị đóng cắt, bảo vệ từ nguồn đến các tủ phân phối.
  5. Thiết kế hệ thống chống sét đánh thẳng và chống sét lan truyền cho công trình.
  6. Thiết kế hệ thống nối đất an toàn và nối đất bảo vệ thiết bị điện một pha, ba pha.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cung cấp điện tổng thể cho tòa nhà hỗn hợp văn phòng và căn hộ cao tầng.
  • Phạm vi không gian: Công trình Tòa nhà hỗn hợp Văn phòng - Căn hộ tại địa chỉ số 93 Trần Phú, Quận Ngô Quyền, Thành phố Hải Phòng (Chủ đầu tư: Công ty Cổ phần xây dựng GM – Posts), gồm 1 tầng hầm, 1 tầng lửng, 12 tầng sàn, tầng tum và tầng mái với tổng diện tích sàn xây dựng là 3.840 m².
  • Phạm vi nội dung: Tập trung vào các khâu tính toán xác định phụ tải, lựa chọn công suất máy biến áp, máy phát điện, chọn dây cáp và thiết bị bảo vệ, thiết kế chống sét và mạng nối đất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài sử dụng hệ thống lý thuyết chuyên ngành cung cấp điện và chiếu sáng công trình, bao gồm:

  • Phương pháp xác định phụ tải tính toán:
    • Phương pháp công suất đặt và hệ số nhu cầu ($k_{nc}$): Tính toán công suất tác dụng $P_{tt} = k_{nc} \cdot \sum P_{đmi}$, công suất phản kháng $Q_{tt} = P_{tt} \cdot \tan\varphi$ và công suất toàn phần $S_{tt} = \sqrt{P_{tt}^2 + Q_{tt}^2} = \frac{P_{tt}}{\cos\varphi}$.
    • Phương pháp suất phụ tải trên một đơn vị diện tích sản xuất ($p_0$): Tính theo diện tích sàn $P_{tt} = p_0 \cdot f$.
    • Phương pháp suất tiêu hao điện năng ($W_0$): Tính theo sản lượng và thời gian sử dụng công suất lớn nhất $P_{tt} = \frac{M \cdot W_0}{T_{max}}$.
    • Phương pháp hệ số cực đại ($k_{max}$) và công suất trung bình ($p_{tb}$): Xác định qua số thiết bị hiệu quả $n_{hq}$ với các điều kiện giới hạn phụ tải dài hạn và ngắn hạn lặp lại.
  • Phương pháp tính toán chiếu sáng: Áp dụng phương pháp hệ số sử dụng quang thông (bên cạnh việc tổng quan các phương pháp công suất riêng, phương pháp điểm của Liên Xô, Mỹ, Pháp). Trình tự tính toán bao gồm: xác định độ rọi yêu cầu ($E_{tc}$), hệ số bù ($d$), tính chỉ số địa điểm phòng $K = \frac{a \cdot b}{h_{tt}(a + b)}$, xác định hệ số sử dụng ($U$), tính quang thông tổng $\Phi_{tổng} = \frac{E_{tc} \cdot S \cdot d}{U}$, xác định số lượng bộ đèn $N = \frac{\Phi_{tổng}}{\Phi_{đèn/bộ}}$, kiểm tra sai số quang thông trong giới hạn cho phép $\Delta \Phi \in [-10%, +20%]$ và kiểm tra lại độ rọi trung bình thực tế $E_{tb}$.
  • Hệ thống tiêu chuẩn và tài liệu kỹ thuật áp dụng:
    • Tiêu chuẩn độ rọi chiếu sáng TCVN 7114-2008 cho từng loại không gian chức năng.
    • Hướng dẫn thiết kế cung cấp điện theo tiêu chuẩn IEC và tài liệu kỹ thuật Schneider Electric (áp dụng bảng tra B17/B36 cho hệ số đồng thời $K_{đt}$ và hệ số sử dụng $K_u$).
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế: Phương pháp giải tích kết hợp thống kê phân nhóm phụ tải kỹ thuật; tra cứu quy chuẩn thiết kế điện công trình dân dụng.
  • Nguồn dữ liệu: Hồ sơ thiết kế mặt bằng kiến trúc tòa nhà 93 Trần Phú (Công ty Cổ phần xây dựng GM – Posts), sổ tay tra cứu thiết bị điện, catalog thông số kỹ thuật đèn LED và thiết bị điện dân dụng.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cung cấp điện cho Tòa nhà 93 Trần Phú được phân chia cấu trúc kỹ thuật theo chức năng không gian và phân cấp phụ tải như sau:

  • Phân vùng phụ tải hạ áp:
    • Tầng hầm: Cấp nguồn cho khu vực trạm biến áp, phòng máy phát điện, trạm bơm, phòng tủ điện, phòng trực cứu hỏa, phòng nhân viên, hệ thống bơm chống ngập, hệ thống cấp nguồn điện nhẹ và máy ATM.
    • Khối văn phòng cho thuê (Tầng 1 đến Tầng 7): Chiếu sáng bằng đèn LED Panel $600 \times 600$ (36W), đèn Downlight D110 (7W), đèn tuýp LED 0,6m (9W), hệ thống ổ cắm làm việc, quạt gió tươi và các tủ dàn lạnh điều hòa phân tán.
    • Khối căn hộ cao cấp (Tầng 8 đến Tầng 12): Bố trí hệ thống chiếu sáng LED âm trần D110, đèn lốp tròn gắn trần D200/D250, đèn chùm trang trí kết hợp mạng lưới ổ cắm 3 chấu 250V-20A, bếp từ (công suất từ 3.000W đến 5.000W), bình nước nóng (2.500W), máy điều hòa nhiệt độ (1.150W đến 2.500W) và quạt thông gió.
    • Tầng tum và tầng mái: Cấp nguồn cho khu vực dịch vụ bar - cafe, phòng giặt, phòng thờ, khu bể bơi; hệ thống điều hòa không khí trung tâm và trạm bơm tăng áp.
    • Phụ tải động lực chuyên dụng: Hệ thống 2 buồng thang máy phục vụ di chuyển thẳng đứng và mạng lưới bơm phòng cháy chữa cháy.
  • Cấu trúc phân phối điện và nguồn dự phòng:
    • Thiết lập phương án cấp nguồn chính từ lưới điện phân phối thông qua trạm biến áp hạ thế đặt tại tầng hầm.
    • Bố trí trạm phát điện dự phòng (MPĐ) nhằm đảm bảo duy trì liên tục cho các phụ tải loại 1 và loại 2 (thang máy, bơm cứu hỏa, chiếu sáng sự cố/Exit, hệ thống kỹ thuật hầm) khi xảy ra sự cố mất điện lưới.
    • Lựa chọn tiết diện dây dẫn, cáp phân phối hạ áp và thiết bị đóng cắt bảo vệ (MCCB, MCB) phân tầng từ tủ điện tổng đến các tủ phân phối nhánh (DB-TH, TĐ-T1 đến TĐ-T7, DB-T8 đến DB-T12, DB-TT, DB-ĐH, DB-TM).
  • Hệ thống an toàn, chống sét và nối đất:
    • Lắp đặt hệ thống kim thu sét trên mái tòa nhà với bán kính và góc bảo vệ bao trùm toàn bộ khối tích công trình 12 tầng; trang bị thiết bị chống sét van và chống sét lan truyền từ đường dây cấp nguồn hạ áp.
    • Xây dựng hệ thống nối đất hỗn hợp kết hợp cọc tiếp địa nhân tạo và kết cấu móng tự nhiên, liên kết thanh đẳng thế bảo vệ an toàn cho mạng điện một pha, ba pha và hệ thống chống sét.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu tổng quan về toà nhà 93 Trần Phú (12 Tầng)

Chương I trình bày thông tin cơ bản về công trình: vị trí tại số 93 Trần Phú, Quận Ngô Quyền, TP. Hải Phòng do Công ty Cổ phần xây dựng GM – Posts làm chủ đầu tư, có quy mô 1 tầng hầm và 12 tầng nổi với tổng diện tích sàn 3.840 m². Tác giả phân tích các yêu cầu kỹ thuật cấp điện:

  • Độ tin cậy cấp điện: Đảm bảo cấp điện liên tục cho các phụ tải trọng yếu bằng nguồn máy phát điện dự phòng khi mất điện lưới.
  • Chất lượng điện năng: Duy trì độ ổn định của điện áp và tần số theo quy định.
  • An toàn: Bảo đảm an toàn tuyệt đối cho người sử dụng, nhân viên vận hành và toàn bộ thiết bị điện.
  • Kinh tế: Cân đối giữa vốn đầu tư ban đầu và chi phí tổn thất vận hành trong suốt vòng đời công trình.

Chương II: Xác định phụ tải tính toán cho toà nhà 93 Trần Phú (12 Tầng)

Chương II tập trung trình bày các phương pháp tính toán phụ tải và phương pháp tính chiếu sáng theo hệ số sử dụng. Độ rọi thiết kế được áp dụng theo TCVN 7114-2008: phòng ngủ (100 lux), toilet (100 lux), hành lang (100 lux), phòng khách (300 lux), văn phòng/phòng họp (300 lux), phòng bếp (500 lux).

Tác giả tính toán chi tiết cho từng loại phòng, căn hộ điển hình (8A2, 8A3, 8B1, 8B2, 8C1, 9-11A1), khu vực hành lang, văn phòng cho thuê và phụ tải động lực (thang máy, điều hòa trung tâm tầng mái, thiết bị tầng hầm). Hệ số đồng thời ($K_{đt}$) và hệ số sử dụng ($K_u$) được áp dụng theo bảng tra Schneider/IEC (khối văn phòng dùng $K_{đt} = 0{,}8$; khối căn hộ dùng $K_{đt\text{-}phòng} = 0{,}6$, $K_{đt\text{-}tầng} = 0{,}78$; điều hòa mái $K_{đt} = 0{,}9$; thang máy $K_{đt} = 1{,}0$).

Bảng tổng hợp phụ tải tính toán của các tầng và khu vực chức năng trong tòa nhà được xác định như sau:

STT Ký hiệu tủ điện Vị trí phân phối tải Công suất tính toán $P_{tt}$ (W)
1 TĐ-TH Tầng hầm 12.040
2 TĐ-T1 Tầng 01 (Phòng giao dịch, sảnh) 7.267
3 TĐ-T2 Tầng 02 (Văn phòng cho thuê) 10.572
4 TĐ-T3 Tầng 03 (Văn phòng cho thuê) 12.275
5 TĐ-T4 Tầng 04 (Văn phòng cho thuê) 12.387
6 TĐ-T5 Tầng 05 (Văn phòng cho thuê) 12.387
7 TĐ-T6 Tầng 06 (Văn phòng cho thuê) 12.387
8 TĐ-T7 Tầng 07 (Văn phòng cho thuê) 12.387
9 TĐ-T8 Tầng 08 (5 căn hộ, bar, bể bơi) 23.299
10 TĐ-T9 Tầng 09 (5 căn hộ) 24.117
11 TĐ-T10 Tầng 10 (5 căn hộ) 24.117
12 TĐ-T11 Tầng 11 (5 căn hộ) 24.117
13 TĐ-T12 Tầng 12 (Phòng khách, bếp, căn hộ) 14.248
14 TĐ-T Tầng tum (Bar, phòng thờ, giặt) 692
15 TĐ-ĐH Tầng mái (Hệ thống điều hòa không khí) 94.950
16 TĐ-TM Tủ thang máy (2 buồng thang máy) 20.000
Tổng Toàn tòa nhà Hệ thống phân phối tổng 317.242

Tổng hợp thông số công suất toàn công trình với hệ số $\cos\varphi = 0{,}8$ ($\tan\varphi = 0{,}75$):

  • Tổng công suất tác dụng tính toán: $\sum P_{tt} = 317{,}242\text{ kW}$ ($317.242\text{ W}$).
  • Tổng công suất phản kháng tính toán: $\sum Q_{tt} = P_{tt} \cdot 0{,}75 = 237{,}9\text{ kVAr}$.
  • Tổng công suất toàn phần tính toán: $\sum S_{tt} = \frac{P_{tt}}{\cos\varphi} = \frac{317{,}242}{0{,}8} = 396{,}6\text{ kVA}$.

Chương III: Phương án cung cấp điện cho toà nhà 93 Trần Phú (12 Tầng)

Chương III đề xuất phương án cấp điện hình tia từ trạm biến áp hạ thế tới các tủ phân phối tầng. Nội dung chương bao gồm:

  • Phân tích và lựa chọn số lượng, công suất trạm máy phát điện dự phòng (MPĐ) đảm bảo cấp điện liên tục khi nguồn lưới gặp sự cố.
  • Tính toán lựa chọn tiết diện dây dẫn, cáp ngầm hạ thế từ trạm phát/trạm biến áp đến các tủ điện phân phối hạ tổng dựa trên điều kiện phát nóng liên tục, độ sụt áp cho phép và khả năng chịu dòng ngắn mạch.
  • Chọn lựa các thiết bị bảo vệ đóng cắt (aptomat tổng, aptomat nhánh) tương thích với dòng định mức và dòng ngắn mạch tính toán.

Chương IV: Thiết kế chống sét cho toà nhà 93 Trần Phú (12 Tầng)

Chương IV trình bày các giải pháp bảo vệ chống sét cho công trình cao tầng:

  • Phân loại chống sét trực tiếp (sét đánh thẳng) và chống sét lan truyền từ đường dây không và trạm biến áp.
  • Khảo sát các thiết bị chống sét lan truyền: khe hở phóng điện, chống sét ống và chống sét van.
  • Tính toán lý thuyết và xác định cụ thể phạm vi bảo vệ của kim thu sét đặt trên đỉnh mái công trình 12 tầng, đảm bảo an toàn cho toàn bộ kết cấu xây dựng và thiết bị kỹ thuật ngoài trời.

Chương V: Thiết kế nối đất bảo vệ các thiết bị cho toà nhà 93 Trần Phú (12 Tầng)

Chương V nêu cơ sở lý thuyết và quy trình tính toán hệ thống nối đất bảo vệ:

  • Khảo sát các hình thức nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo (cọc thép bọc đồng, thanh dẹt nối đất chôn ngầm).
  • Thực hiện trình tự các bước tính toán điện trở nối đất nhân tạo, xác định số lượng cọc và chiều dài mạch tiếp địa nhằm đạt trị số điện trở tản theo quy chuẩn an toàn điện.
  • Thiết kế mạng lưới nối đất liên kết cho hệ thống điện một pha, ba pha và toàn bộ vỏ kim loại của thiết bị trong tòa nhà.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán kỹ thuật:
    • Xác định chính xác tổng công suất phụ tải tính toán của Tòa nhà hỗn hợp 12 tầng tại 93 Trần Phú: $P_{tt} = 317{,}242\text{ kW}$, $Q_{tt} = 237{,}9\text{ kVAr}$, $S_{tt} = 396{,}6\text{ kVA}$ (ở hệ số $\cos\varphi = 0{,}8$).
    • Hoàn thành bảng phân bổ tải chi tiết cho 16 nhánh phân phối chính từ tầng hầm đến tầng mái, trong đó phụ tải động lực lớn nhất là hệ thống điều hòa trung tâm tầng mái ($P_{tt} = 94{,}950\text{ kW}$) và hệ thống thang máy ($P_{tt} = 20{,}000\text{ kW}$).
    • Thiết kế chi tiết hệ thống chiếu sáng cho từng không gian căn hộ và hành lang theo tiêu chuẩn TCVN 7114-2008, đạt sai số quang thông cho phép ($\Delta\Phi = 6{,}28%$ tại căn hộ mẫu 8A2).
  • Giải pháp đề xuất:
    • Thiết lập sơ đồ cấp điện phân tầng hợp lý, tách biệt giữa phụ tải sinh hoạt căn hộ, phụ tải dịch vụ văn phòng và phụ tải kỹ thuật động lực.
    • Đề xuất cấu hình máy phát điện dự phòng cấp nguồn cho các thiết bị ưu tiên khi mất điện lưới.
    • Tích hợp đồng bộ hệ thống chống sét kim thu và mạng lưới tiếp địa an toàn cho toàn bộ công trình.
  • Đóng góp của đề tài: Tổng hợp và hệ thống hóa toàn bộ quy trình thiết kế cung cấp điện cho một công trình cao tầng hỗn hợp thực tế tại Hải Phòng, kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết và việc áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế (IEC, Schneider Electric) và Việt Nam (TCVN).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do giới hạn thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp và khả năng tiếp cận toàn diện dữ liệu vận hành thực tế của công trình, đề tài chỉ tập trung giải quyết các bài toán thiết kế cơ bản (tính phụ tải, chọn MBA, MPĐ, dây cáp, thiết bị bảo vệ, chống sét và nối đất), chưa thực hiện mô phỏng vận hành động học hệ thống hoặc phân tích chi tiết hiệu quả kinh tế theo biểu giá điện theo thời gian thực (Time-of-Use).
  • Hướng phát triển: Mở rộng nghiên cứu tích hợp hệ thống quản lý năng lượng thông minh cho tòa nhà (BMS/EMS), tính toán bù công suất phản kháng tự động nâng cao hệ số $\cos\varphi$ và thiết kế hệ thống chiếu sáng thông minh tiết kiệm năng lượng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành Điện Tự động Công nghiệp, Hệ thống Điện, Kỹ thuật Điện - Điện tử và kỹ sư cơ điện (M&E) công trình dân dụng.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Phương pháp tính toán chiếu sáng chi tiết từng phòng theo hệ số sử dụng và tiêu chuẩn TCVN 7114-2008.
  • Bảng lựa chọn hệ số đồng thời ($K_{đt}$) và hệ số sử dụng ($K_u$) cho các khối chức năng hỗn hợp (văn phòng, căn hộ, hầm, mái) theo chuẩn Schneider/IEC.
  • Trình tự tính toán dung lượng nguồn, thiết kế mạng chống sét và hệ thống tiếp địa cho công trình cao tầng.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô xây dựng và diện tích sàn của công trình tại 93 Trần Phú được xác định như thế nào?
Công trình là Tòa nhà hỗn hợp Văn phòng Căn hộ do Công ty Cổ phần xây dựng GM – Posts làm chủ đầu tư tại số 93 Trần Phú, Quận Ngô Quyền, TP. Hải Phòng. Quy mô gồm 1 tầng hầm, 1 tầng lửng, 12 tầng sàn, tầng tum và tầng mái, với tổng diện tích sàn xây dựng là 3.840 m².

2. Tổng công suất điện tính toán của toàn bộ tòa nhà là bao nhiêu?
Tại hệ số công suất $\cos\varphi = 0{,}8$ ($\tan\varphi = 0{,}75$), tổng công suất tác dụng tính toán toàn tòa nhà là $\sum P_{tt} = 317{,}242\text{ kW}$ ($317.242\text{ W}$), tổng công suất phản kháng là $\sum Q_{tt} = 237{,}9\text{ kVAr}$, và tổng công suất toàn phần tính toán là $\sum S_{tt} = 396{,}6\text{ kVA}$.

3. Phương pháp nào được sử dụng để tính toán chiếu sáng và tiêu chuẩn độ rọi áp dụng ra sao?
Đề tài sử dụng phương pháp hệ số sử dụng quang thông để tính số lượng bộ đèn và kiểm tra sai số quang thông ($\Delta\Phi%$). Tiêu chuẩn độ rọi áp dụng theo TCVN 7114-2008 với mức 100 lux (phòng ngủ, toilet, hành lang), 300 lux (phòng khách, phòng quản lý, văn phòng, phòng họp) và 500 lux (phòng bếp).

4. Hai nhóm phụ tải động lực lớn nhất của tòa nhà là những hệ thống nào và có công suất bao nhiêu?
Hai nhóm phụ tải động lực lớn nhất là hệ thống điều hòa không khí trung tâm đặt tại tầng mái với công suất tính toán $P_{tt} = 94.950\text{ W}$ (tổng công suất đặt 105.500W, $K_{đt} = 0{,}9$) và hệ thống 2 buồng thang máy với công suất tính toán $P_{tt} = 20.000\text{ W}$ ($K_{đt} = 1{,}0$).

5. Đề tài áp dụng hệ số đồng thời ($K_{đt}$) và hệ số sử dụng ($K_u$) dựa trên cơ sở tài liệu nào?
Các hệ số $K_{đt}$ và $K_u$ được áp dụng theo bảng hướng dẫn thiết kế cung cấp điện của hãng Schneider Electric (Bảng B17/B36) và tiêu chuẩn kỹ thuật IEC để định cỡ dây dẫn và thiết bị phân phối điện.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Minh Hiếu đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ thiết kế cung cấp điện cho Tòa nhà hỗn hợp Văn phòng - Căn hộ 12 tầng tại số 93 Trần Phú, Hải Phòng. Công trình đã đưa ra các kết quả định lượng cụ thể về phụ tải chiếu sáng, phụ tải động lực, tổng công suất toàn phần $S_{tt} = 396{,}6\text{ kVA}$, cùng phương án lựa chọn máy phát dự phòng, thiết bị đóng cắt bảo vệ, chống sét và nối đất. Đề tài đáp ứng tốt các yêu cầu về tính liên tục, an toàn, chất lượng điện năng và hiệu quả kinh tế cho công trình dân dụng cao tầng.